内镀法金刚石铰刀的设计与制造
摘要：金刚石铰刀具有加工精度高、表面粗糙度值小、效率高、寿命长等优点，目前已日益广泛应用于精密孔零件的加工之中。文章介绍了精密金刚石铰刀的一种新型设计与制造的方法——内包容电镀法，阐述了此种铰刀的设计与制造中一些关键技术问题。
1 前言
金刚石铰刀是近20年发展起来的一种高精度内孔加工刀具。由于它的加工精度高(一般可达2µm)、表面粗糙度值小(一般可达Ra0.4～0.2µm)、加工效率高(一般可提高3～5倍)、寿命长(一般能加工10000件以上)、质量稳定可靠，因而在液压、农机、汽车、机床、军工等行业中得到了日益广泛的应用。
电镀金刚石铰刀是利用电镀的方法，以金属镍、铁或铜等作结合剂，将金刚石颗粒包络在刀体上形成的。电镀铰刀要求电镀层表面达到较高的几何精度，以确保磨粒切削刃具有较好的等高性和锋利性，减小切削负荷，提高铰刀的几何质量、物理质量和耐用度。
目前，国内金刚石铰刀采用外镀法制造。制造时，需要对磨粒进行严格筛选，通过镀层金属直接将磨粒固定在刀体周围。所镀铰刀磨粒等高性差，需用金刚石砂轮修磨，但修磨将破坏磨粒的天然刃口，钝化磨粒，影响加工效率及被加工孔的表面质量。为此，我们提出了一种新型设计与制造的方法——内包容电镀法(简称内镀法)，并进行了铰刀设计、制造与切削试验研究，以求其在精密孔加工中取得更佳的加工效果。
1.刀体 2.切屑 3.粘结剂 4.金刚石颗粒
图1
2 金刚石铰刀的内镀法原理与铰削机制
迄今为止，内包容电镀技术已成功应用于高精度金刚石滚轮的制造，但一直未用于制造金刚石铰刀。金刚石铰刀内镀的方法是，采用稳定材料制造一个与铰刀外形相反的高精度内孔胎模，将金刚石磨粒电镀在胎模内表面，加厚形成电镀层，再将镀层与刀杆粘结在一起。为将胎膜顺利脱出，可在胎膜内表面先镀一层低熔点金属，最后加热脱模制成铰刀。同时，也可保证高精度内孔胎模不受损伤而能重复使用，以降低制造成本。
采用内镀法制造的铰刀，其磨粒完全由高精度内孔胎模包容，镀层磨粒表面可以达到较高的几何精度，磨粒等高性好，微刃锋利，所以其切削性能优于外镀法铰刀，所加工孔的表面粗糙度值小，且刀具不需修磨，使用寿命长。
在金刚石铰刀铰削过程中，铰刀磨粒与工件孔壁相互干涉，相互作用，不断地将干涉点切去而进行相互修整。铰刀表面和孔表面不断地产生新的干涉点，使孔壁与铰刀表面的接触面积不断增大，特别是铰刀校正部的磨粒顶部的锐边和锐角被磨成了一个个小平面，如图1所示。与此同时，切削余量越来越小，切削作用也越来越弱。而铰刀对孔壁的挤压和抛光的作用却越来越强，这就使孔的圆度越来越高、表面粗糙度值越来越小。这就是为什么金刚石铰刀使用时间越长，加工孔的表面粗糙度值越小的原因所在。
金刚石铰刀铰削工件内孔的过程中，铰刀切削部切除工件大部分余量(实际上总的铰削余量很小)，而校正部只切除少许余量，但其对工件表面的挤压和抛光作用却是金刚石铰刀铰孔的主要过程，是保证工件加工质量的主要因素。同时通过挤压和抛光，工件表面会产生塑性变形而提高硬度。据实验测定，工件表面经金刚石铰刀铰削后的硬度比铰削前明显提高0.5～1.0倍，这无疑对提高工件使用寿命是非常有利的。
1.金刚石 2.切屑
图2
1.金刚石颗粒 2.切屑 3.粘结剂 4.刀体
图3
1.夹持部 2.后导部 3.倒锥部 4. 校正部 5.切削部 6.前导部
图4
对于一把正常使用的金刚石铰刀，其磨粒应露出来参加切削。因此，磨粒间的结合剂应形成一个个凹坑。在铰削的过程中，大量的切屑藏于这些凹坑中(图2)，并蚀除部分结合剂，使得磨粒前面的凹坑逐渐加深；磨粒后面的结合剂则很少被切屑所蚀除，同时由于挤压力的作用，使结合剂向后蠕动，更加强了对磨粒的支撑作用。这就是金刚石铰刀的颗粒不容易脱落，铰刀保持较长寿命的原因之一(图3)。
3 内包容金刚石铰刀的结构设计
目前金刚石铰刀有固定式和可调式两大类型，。为了加工出高精度内孔，金刚石铰刀宜采用固定式。因为固定式铰刀制造工艺简单，易于修磨，成本较低，加工孔的尺寸稳定性好。加工通孔用固定式金刚石铰刀的结构简图如图4所示。下面具体讨论一下铰刀主要部分的结构设计。
- 校正部的设计 校正部是铰刀的修光和提高精度的部分，主要承担清除切削部加工时遗留下来的粗糙波峰的少许余量，是影响被加工孔的加工质量的关键因素。
一般地，校正部的长度按加工孔径的2～3倍来选取。孔长时取小值，孔短时取大值。校正部径向尺寸取决于工件表面粗糙度、孔的形状、预制孔精度和铰削扩张量等具体条件。 - 切削部的设计 切削部是铰刀的切削部分，负担切除被加工工件的80%～90%的加工余量，对铰刀寿命和加工质量有很大影响。
L——切削部长度，x——实际切削长度，q——切削部锥角
图5
图6
切削部的长度和锥角主要根据切削余量的大小来确定，一般地，长度取15～25mm；切削锥角粗铰时取q=0°3′～0°15′，精铰时取q=0°1′～0°5′，以保证铰刀在2/5～1/2处即进入实际的切削状态(图5)。锥角大小的计算公式为 tgq=S/LK 式中 S——切削深度，mm
L——切削部长度,mm
K——长度系数，取2/5～1/2
锥角公差取3～4级。 - 冷却槽的设计 金刚石铰刀铰孔时，若热量和切屑来不及排出，刀体将发热膨胀，孔的加工质量会明显降低，严重时还会发生“咬死”刀现象。因此铰刀的各主要表面上都要设计有冷却槽，并满足下列条件：①冷却槽必须保证铰刀工作时能得到充分冷却；②冷却槽不能影响铰刀的刚性和寿命；③冷却液流道通畅，以便能将切屑带走。
螺旋槽一般设计2～5条，螺旋角取ψ=20°～45°，螺旋方向选用左旋，使切屑和冷却液向未铰削表面推进，确保已铰过的表面免受擦伤。同时螺旋槽和螺旋角的选择要保证铰刀切削宽度大小适当，一般以12～18mm为宜(图6)。
4 金刚石铰刀的内镀法制造工艺
由于内包容铰刀的尺寸精度与形状精度主要由胎模精度保证，所以胎模的设计与制造至关重要。胎模内孔应设计成与铰刀外形相反，并在高精度磨床上精磨而成。
电镀工艺方面，利用电解作用，采用光亮镀镍方法，通过制造添加剂含量，来减小镀层内应力，同时保证镀层平整。比较合理的电镀工艺规范如下表所示： 名称含量(g/L)硫酸镍(NiSO4—7H2O)250～300氯化钠(NaCl)10～20硼酸(H3BO3)35～40糖精(6H5COSO2NH2)1～2香豆素(C9H6O2)0.5～1十二烷基硫酸钠(C12H25SO4Na)0.1～0.2PH值4.0～4.5温度(℃)40～45电流密度(A/dm2)1.5～3
了使电镀层尺寸均匀且沉积速度快，针对内镀法电镀液流动性差的缺陷，电镀时宜采用流动电镀工艺，电镀液循环流动的速度大约为5～30m/min。
刀体材料一般用45钢，淬火至硬度40～45HRC，经精磨而成。
开刃和开槽处理时，必须保证铰刀的镀层尺寸精度不受影响。开刃时可用刚玉砂轮修磨镀层金属，也可通过电镀两种化学溶解度不同的金属，再进行腐蚀处理。开槽时采用电化学腐蚀及机械加工的方法即可。
5 结束语
经过反复试验，最终我们得到了系列化和标准化的内包容精密金刚石铰刀。通过对典型材料与典型零件的加工与试验，以及和外镀法制造的铰刀技术指标与切削性能的对比，可以得到以下结论：
- 精密和高精度金刚石铰刀更适宜采用内镀法进行设计与制造。
- 金刚石铰刀的内镀法比外镀法加工精度更高、表面粗糙度值更小。
- 只要工艺参数合理和规范，内镀法金刚石铰刀的设计与制造同样简单、方便。
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